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深埋隧道工程地质黄润秋深埋隧道岩爆机理及其控制广义岩爆作为一种多出现在完整硬岩中的隧道施工地质灾害，包括围岩的动力破坏（dynamicfailure）－狭义岩爆（rockburst）和静力破坏（staticfailure）－片剥（spallorslab）两种基本形式。自18世纪30年代末英国锡矿岩爆被首次报道以来，世界范围内已有前西德、南非、中国、前苏联、波兰、捷克、匈牙利、保加利亚、奥地利、美国、意大利、瑞典及挪威等数十个国家和地区记录有岩爆问题，其中以隧道工程及深井采矿业相对发达的瑞典、挪威、瑞士、奥地利及南非等国家的岩爆记录最多。近20多年来，我国天生桥水电站引水隧洞、岷江太平驿电站引水隧洞、锦屏水电站勘探平硐、二滩水电站引水隧洞、西康铁路秦岭特长隧道Ⅱ线平导及川藏公路二郎山隧道等一大批长大隧道工程相继发生突发性严重岩爆，致使隧道施工防不胜防，并造成损机伤人的严重事故。岩爆灾害不仅严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，而且还会造成超挖、初期支护失效，严重时还会诱发地震，已经成为硬岩隧道勘测设计及施工组织中必须考虑的重要问题之一，并受到世界各国相关学者的广泛关注。经过长期努力，岩爆研究领域已经取得一系列重要成果，但到目前为止，岩爆机制研究尚未取得重大突破，也就是说，还没能对不同工程中出现的各类岩爆现象给出全面、合理的理论解释。东口西口桐麻岭背斜毛坝向斜冷水河1500m1000mP22T1P22P21P1P1S+DS+DOOε11km图2渝怀铁路圆梁山特长隧道概化剖面图也正是由于机制研究的滞后，影响了以此为基础的超前预报和控制技术的发展。岩爆研究大致可以分为实录（casehistories）、发生机制（mechanisms）、超前预报及控制技术（predictingandcontrolling）四大领域，其中，建立在工程实录基础上的机制研究是所有研究工作的核心，也是超前预报及控制技术发展的基础。图3秦岭隧道几次严重岩爆的位置与掌子面的关系（原始资料引自文献［17］）150.0~157.5两炮次曾有轻微岩爆，157.5~161.5爆破后，150.0前后发生严重岩爆。此后，岩爆段随着掌子同步向前推进，但始终落后于掌子面一定距离，一直到165.0。53.0掌子面爆破后，502.0~512.0之间发生岩爆814.5掌子面爆破后，807.0处发生严重岩爆，此后，岩爆段落后于掌子面一定距离与其同步向前推进，一直到818.0。DYK64+502.0DYK64+512.0DYK64+53.0DYK64+814.5DYK64+807.0DYK65+150.0DYK65+157.5DYK65+161.5图3秦岭隧道几次严重岩爆的位置与掌子面的关系（原始资料引自文献［17］）岩爆实录包括围岩类型及物理力学行为、地应力场、地下空间特征、开挖过程（开挖顺序、循环进尺、爆破参数等）、岩爆坑及岩爆碎片的形态、几何尺寸、岩爆事件的时－空分布、岩爆部位对应的地貌形态及岩爆分类与分级等，许多学者和工程技术人员在该领域进行了卓有成效的工作，记录了大量珍贵的第一手资料（图3），特别是若干重大工程的岩爆实录资料[8~17]。“岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体的存在，且其应力接近岩体强度是岩爆产生的内因；某些附加荷载的触发是其产生的外因”[18,19]应该是迄今为止对岩爆机理给出的最为清晰的概括。该机理的另一种说法应该是，处于高地应力环境中的结构完整的硬脆性围岩，在隧道开挖后，切应力（）达到或接近围岩的单轴抗压强度（UCS），在其它因素的诱发下，围岩便以岩爆的形式失稳，这可以被总结为岩爆形成机制的静荷载（静力学）理论，它也是广泛采用的岩爆预测判据—的理论依据。岩爆机理的试验研究方面，文献［20、21］以西安-安康铁路秦岭特长隧道、天生桥水电站特长引水隧洞及二郎山公路隧道等工程为依托，利用三轴试验机研究了混合花岗岩、灰岩及厚层砂岩在卸荷条件的变形与破坏行为，以说明岩爆发生机理。试验结果表明，围压较低时，围岩以张性或张剪复合型破坏为主；围压较高时则以剪切破坏为主，并据此提出，地下硐室开挖过程中，硐室周边围岩的侧压被卸除，应力发生重分布，当调整后的应力状态达到岩体极限状态时，围岩便以岩爆的形式破坏。文献［22］认为，隧道开挖后，开挖轮廓面附近径向应力（）降低导致切应力（）增大的同时，轴向应力（）也会按一定比例增大；所进行的真三轴试验结果表明，时，岩石表现为片状劈裂和剪胀的混合型破坏；时以片状劈裂为主；时呈现片状劈裂和剪切错动复合型破坏。岩爆的微观破裂机制方面，文献［8］利用SEM对天生桥引水隧洞灰岩岩爆碎片进行观察研究后提出，岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体，由于开挖，使得地应力分异、围岩应力跃升及能量进一步集中，最终产生张－剪脆性破坏的结果；杨淑碧（1993）对该隧洞岩爆进行相似模拟时，总结出劈裂破坏和剪切破坏两种围岩失稳机制；文献［23］采用SEM对黄河拉西瓦电站花岗岩岩爆碎片进行研究时发现，岩爆碎片呈舌状、河流状、根状花样，提出岩爆发生的微观破裂机制是脆性拉破坏；文献［24］认为，洞壁表面岩石弹射型岩爆破坏机制多为张拉脆性断裂，属于低能量吸收断裂形式。岩爆的断裂力学机理方面，Hsiung（2001）认为，诱发岩爆的条件包括高地应力、岩体的高强度及存在自由表面；岩爆和任何岩石在应力作用下发生失稳的机制是一致的，都要经历微裂隙的扩展、结合与积累的过程。文献［25］将受压岩体中的裂纹分为压剪闭合裂纹和压剪不闭合裂纹两种性态，分析了压剪裂纹的启裂和扩展准则，认为岩爆是围岩在洞室开挖过程中发生应力调整时，岩体中的预存裂纹扩展而引起岩体发生宏观脆性断裂的结果。岩爆的断裂力学机理方面，Hsiung（2001）认为，诱发岩爆的条件包括高地应力、岩体的高强度及存在自由表面；岩爆和任何岩石在应力作用下发生失稳的机制是一致的，都要经历微裂隙的扩展、结合与积累的过程。文献［25］将受压岩体中的裂纹分为压剪闭合裂纹和压剪不闭合裂纹两种性态，分析了压剪裂纹的启裂和扩展准则，认为岩爆是围岩在洞室开挖过程中发生应力调整时，岩体中的预存裂纹扩展而引起岩体发生宏观脆性断裂的结果。文献［26］提出，在压应力集中区内，近自由表面的裂纹在低侧压时，将平行于壁面沿最大压应力方向扩展，并给出了两种情况下裂纹扩展的临界应力计算公式。文献［27］以黄河拉西瓦电站花岗岩为例，通过损伤力学分析，根据岩石内部能量转化机制，给出了脆性岩石岩爆损伤能量指数（WD）的概念，提出了岩爆发生的判别条件：岩石释放的弹性应变能大于岩石损伤累积耗散能，即，WD1。文献［28］根据白岗岩和灰岩在单轴压缩条件下的裂纹特征，基于岩爆是大量裂纹生成和扩展造成的一种动态破坏过程的认识提出，裂纹的分形维数值越低，岩爆倾向越大。岩石静力学理论在岩爆研究中是重要的，但它还不能阐明岩爆的全部机理；初始地应力及开挖引起的应力分异是岩爆发生的背景与基础，但不是全部，应该存在地静应力之外的其它诱发机制。钻爆法开挖过程中，各炮层的顺序起爆、周边眼起爆后开挖轮廓面的瞬时大幅卸载及岩爆事件本身所产生的各类高幅值、陡波前应力波以及它们的叠加效应对于围岩，尤其是处于双向受压（少数情况下，切向会承受拉应力）、一侧临空、具有发生破坏潜势的既有炮次围岩，的扰动作用应该是显著的。文献［20、29~32］在岩爆的岩石动力学机理方面进行了研究，并已取得若干重要进展。上世纪50年代初期，DonL.L.最早报道过关于地下工程爆破、应力波、岩爆及地震之间的关系的一些初步试验成果。后来，随着钻爆（新奥）法的不断发展，特别是回次进尺及爆破装药量的不断加大，动力干扰对岩爆的贡献越来越引起人们的关注。我国天生桥、太平驿、二滩及挪威Sima等大型水电站引水隧洞的岩爆一般在爆破以后的一定时间段内发生，岩爆高发区一般距离掌子面2~50m；强度随着时间的推移而减弱；文献［17］还详细报道了秦岭特长隧道Ⅱ线平导北口浅埋段岩爆与爆破之间密切的时－空关系。罗先起等（1996）提出，在坚硬脆性围岩中开挖洞室相当于一个处于压缩应力场中的脆性材料块体在开挖边界上突然卸载，卸载波迅速从开挖边界传播至岩体深部；若岩体中由于弹性压缩所贮存的势能足够大，则位于卸载波前缘的剪切微裂纹将因动力扩展而导致岩体破坏并诱发岩爆。黄润秋等（1999）曾对爆破扰动对岩爆的贡献进行过数值模拟研究。爆破应力波对已开挖围岩的扰动可以概化为表面垂直线源的Lamb问题（图4）：y方向均匀分布的法向荷载于t=0时刻，瞬间施加到弹性半空间的表面z=0处。荷载沿y方向的均匀分布，使得这一问题可以概化为平面应变问题。描述上述半空间模型的数学模型的解析解[33]可以较好地解释岩爆机理（图5）：对于已开挖围岩轮廓面上某一点，爆破产生的P波、S波和Rayleigh波顺序到达；。P波和Rayleigh波对围岩具有显著的扰动作用，而两者之中大振幅Rayleigh波居于支配地位。P波和Rayleigh波将分别在围岩中形成垂直和平行于开挖轮廓面的张性破裂面；在，的应力环境中，这些破裂面的出现，将引起围岩以岩爆或片剥的形式破坏。P波的衰减和Rayleigh波的垂向分布可以解释岩爆高发区与掌子面的空间关系及岩爆碎片的形状特征等若干岩爆现象围岩以岩爆方式破坏时，有一个突出特征，即，一旦一个部位已经发生过一次岩爆，尤其是比较强烈的岩爆，那么该部位就很可能发生第二次、第三次，甚至更多次岩爆；按发生先后，强度越来越低，岩爆面积越来越小，最后形成所谓断面呈“V”字形或“锅底”形的岩爆坑。由于每次岩爆所产生的岩块基本都呈片状，不同期次岩爆形成的爆裂面基本平行，从形式上看，类似于煌斑岩及块状砂岩的球状风化，陶振宇教授（1988）最早将这种岩爆事件追踪发生的现象归纳为“贝壳状”、“笋皮状”、“葱皮状”或“鳞片状”剥离。岩爆追踪在隧道岩爆实录中具有普遍性，二滩、天生桥、太平驿电站引水隧洞岩爆、秦岭铁路隧道岩爆及二郎山公路隧道岩爆都具有显著的追踪现象。利用岩石动力学理论可以比较合理地解释这一特殊现象。拱顶拱顶边墙边墙隧底炮孔θzyxωuur图4隧道爆破扰动已开挖围岩的半空间模型图5爆破应力波作用下已开挖洞段围岩（表面）岩爆与片剥的的形成过程岩爆本身是一种能量释放过程，这些被释放的能量可以分为岩块的动能、岩块的表面能、散失于空气中的热能和通过对母岩表面施加冲击荷载，以应力波形式传递到围岩中的动能几个部分。由于岩爆，特别是强烈岩爆，都具有突发性，其对母岩产生的冲击荷载（）应大致满足人工爆破荷载随时间（t）的衰减规律，即，ktePtP0尽管直接确定上式中的峰值荷载和常数是困难的，但是岩爆前后的地震波监测资料及岩爆诱发地震所造成的损失，不仅说明岩爆冲击荷载及其诱发应力波是确实存在的，而且有时还相当很强烈[34,35]。当一次岩爆的强度很高时，其产生的柱面P波、柱面S波和平面头波可能直接诱发下次岩爆，但多数情况下，其在母岩中所形成的扰动破裂面只有被爆破应力波或相邻地段的岩爆应力波再次扰动扩展或多次扰动扩展时，才有可能产生下次岩爆。同样，如果下次岩爆释放的能量依然较大，则可能再次诱发岩爆，如此下去（6）。建立一套有效的岩爆时空预测系统（apracticalspace-timepredictionsystem）或称之为早期预警系统（anearlywarningsystem），一直是各国岩爆学者追求的目标。已采用的技术手段有微震（MS－microseism）监测[36]、地震仪及水银管倾斜仪[35]、地震遥感监测[37]、微重力（MG－microgravity）分别为柱面胀缩波、柱面等体积波、头波的波阵面P波头波S波P0e-ktxz70o图6长条形岩爆的应力波对母岩的扰动（岩爆坑横断面）监测[38~40]、声发射（AE－acousticemission）[41]及电磁辐射（EMR－electromagneticradiation）[42]等。李强（1994）等在岩爆监测中采用过AE测试技术；王来贵等（1998）